(57)【要約】【課題】  電動サーボモータの制動時に発生する回生電流をコンデンサ又は予備バッテリーに充電したものを電源断対策に使用することにより、安価なシステムで運転の継続を図ることを目的とする。【解決手段】  ガバナ制御装置１２からの制御指令信号に基づき、モータ電圧・電流変換装置１３が回転速度信号を送出し、この回転速度信号に基づいて電動サーボモータ１４が回転駆動し、電動サーボモータ１４の回転トルクをサーボシリンダ１６が往復直線トルクに変換し、サーボシリンダ１６の往復動作に基づいてガイドベーン１４の開閉を行うようにした電動サーボモータ式調速装置において、電動サーボモータ１４の回生時に、モータ電圧・電流変換装置１３に帰還される回生電流を充電するコンデンサ３１を備え、調速装置の異常時に、コンデンサ３１から調速装置に向けて電源を供給する。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水車の回転速度又は出力を制御するための制御指令信号を送出するガバナ制御装置と、上記制御指令信号に基づきモータの回転速度とトルクを定める電圧・電流を発生させるモータ電圧・電流変換装置と、上記回転速度信号に基づいて回転駆動する電動サーボモータと、上記電動サーボモータの回転トルクを往復直線トルクに変換するサーボシリンダを備え、上記サーボシリンダの往復動作に基づいてガイドベーンの開閉を行うようにした電動サーボモータ式調速装置において、
上記ガイドベーンの開閉を行う駆動軸にダッシュポットを連結すると共に、
上記ダッシュポットの開側油室と閉側油室を結ぶ連結管に、開側油室から閉側油室へ作動油を流す電磁弁と、閉側油室から開側油室へ作動油を流す逆止弁と、作動油の流量を所定量に制御する２方向流量制御弁とをそれぞれ並行に配置したダッシュポット制御機構を備え、
調速装置の異常時に、上記電磁弁の作動油の流れをＯＦＦすることにより、ガイドベーンの閉側の動作速度を所定の速度に抑制するようにしたことを特徴とする電動サーボモータ式調速装置。
【請求項２】
水車の回転速度又は出力を制御するための制御指令信号を送出するガバナ制御装置と、上記制御指令信号に基づきモータの回転速度とトルクを定める電圧・電流を発生させるモータ電圧・電流変換装置と、上記回転速度信号に基づいて回転駆動する電動サーボモータと、上記電動サーボモータの回転トルクを往復直線トルクに変換するサーボシリンダを備え、上記サーボシリンダの往復動作に基づいてガイドベーンの開閉を行うようにした電動サーボモータ式調速装置において、
上記電動サーボモータの回生時に、上記モータ電圧・電流変換装置に帰還される回生電流を充電するコンデンサを備え、
調速装置の異常時に、上記コンデンサから調速装置に向けて電源を供給することを特徴とする電動サーボモータ式調速装置。
【請求項３】
水車の回転速度又は出力を制御するための制御指令信号を送出するガバナ制御装置と、上記制御指令信号に基づきモータの回転速度とトルクを定める電圧・電流を発生させるモータ電圧・電流変換装置と、上記回転速度信号に基づいて回転駆動する電動サーボモータと、上記電動サーボモータの回転トルクを往復直線トルクに変換するサーボシリンダを備え、上記サーボシリンダの往復動作に基づいてガイドベーンの開閉を行うようにした電動サーボモータ式調速装置において、
上記電動サーボモータの回生時に、上記モータ電圧・電流変換装置に帰還される回生電流を充電する予備バッテリーを備え、
調速装置の異常時に、上記予備バッテリーから調速装置に電源を供給することを特徴とする電動サーボモータ式調速装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電動サーボモータ式調速装置において、上記電動サーボモータの回生時に、上記モータ電圧・電流変換装置に帰還される回生電流を充電するコンデンサを備え、
調速装置の異常時に、上記コンデンサから上記電磁弁に向けて放電し、上記電磁弁をＯＦＦすることにより、ガイドベーンの閉側の動作速度を所定の速度に抑制するようにしたことを特徴とする電動サーボモータ式調速装置。
【請求項５】
請求項１に記載の電動サーボモータ式調速装置において、上記電動サーボモータの回生時に、上記モータ電圧・電流変換装置に帰還される回生電流を充電する予備バッテリーを備え、
調速装置の異常時に、上記予備バッテリーから上記電磁弁に向けて電源を供給し、上記電磁弁をＯＦＦすることにより、ガイドベーンの閉側の動作速度を所定の速度に抑制するようにしたことを特徴とする電動サーボモータ式調速装置。
【請求項６】
水車の回転速度又は出力を制御するための制御指令信号を送出するガバナ制御装置と、上記制御指令信号に基づきモータの回転速度とトルクを定める電圧・電流を発生させるモータ電圧・電流変換装置と、上記回転速度信号に基づいて回転駆動する電動サーボモータと、上記電動サーボモータの回転トルクを往復直線トルクに変換するサーボシリンダを備え、上記サーボシリンダの往復動作に基づいてガイドベーンの開閉を行うようにした電動サーボモータ式調速装置において、
上記ガイドベーンの開側操作時に蓄勢する弾性体と、調速装置の異常時に上記弾性体の蓄勢を解放する機構を備えたことを特徴とする電動サーボモータ式調速装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水力発電所に設置される水車またはポンプ水車の回転速度又は出力の制御を行う電動サーボモータ式調速装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、回生電流によりバッテリーを充電する発明として、例えば特許文献１に示すものがあった。そこでは、順変換器と逆変換器を接続する直流回路に電池を接続し、逆変換器の運転時、電池の電圧検出値が電圧指令器の設定値（電圧下限値）になるまで逆変換器を放電する。そして、電池の放電電流を制御するために放電電流を検出器で検出し、その値を順変換器の電流調節器９へ入力し、順変換器の電流を制御する。このように電池電圧を予め設定した下限値に保持するので、回生電流を最大限に電池に吸収できる。（例えば、下記の特許文献１参照）
【０００３】
また、電動機電源喪失時にボールねじのような駆動軸に外部から押し戻し力が作用しても、ガイドベーン等の流量調整機構の閉鎖時間を安全な範囲に調整することができる電動サーボモータ装置があった。そこでは、電動機の回転運動を駆動軸の往復運動に変換し外部機構を駆動するものにおいて、駆動軸にダッシュポットを備え、このダッシュポットにスロットルチェッキ弁を接続した構成とした。（例えば、下記の特許文献２参照）
【０００４】
【特許文献１】特開平０６−２２５４５８号公報（要約書、図１）
【特許文献２】特開平０９−３１２９５３号公報（要約書、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１には、回生電流を蓄電池に充電する技術が開示されているが、それを水車の電動式調速装置に適用した例は存在しない。
【０００６】
また、上記の特許文献２には、ダッシュポットとスロットル弁を使用して、伝送式調速装置の電源断対策を行った技術が開示されているが、電磁弁、逆止弁、２ウエイ流量制御弁を使用した方式は存在しない。
【０００７】
この発明は、回生電流を蓄電池又はコンデンサに充電したものを、電源断対策に使用することにより、安価なシステムで運転の継続を図ることを目的とする。
【０００８】
また、回生電流を蓄電池又はコンデンサに充電したものを、電磁弁、逆止弁、２ウエイ流量制御弁に直接作用させることにより。より確実な電源断対策を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明による電動サーボモータ式調速装置は、水車の回転速度又は出力を制御するための制御指令信号を送出するガバナ制御装置と、制御指令信号に基づきモータの回転速度とトルクを定める電圧・電流を発生させるモータ電圧・電流変換装置と、回転速度信号に基づいて回転駆動する電動サーボモータと、電動サーボモータの回転トルクを往復直線トルクに変換するサーボシリンダを備え、サーボシリンダの往復動作に基づいてガイドベーンの開閉を行うようにした電動サーボモータ式調速装置において、ガイドベーンの開閉を行う駆動軸にダッシュポットを連結すると共に、ダッシュポットの開側油室と閉側油室を結ぶ連結管に、開側油室から閉側油室へ作動油を流す電磁弁と、閉側油室から開側油室へ作動油を流す逆止弁と、作動油の流量を所定量に制御する２方向流量制御弁とをそれぞれ並行に配置したダッシュポット制御機構を備え、調速装置の異常時に、ダッシュポット制御機構の電磁弁をＯＦＦすることにより、ガイドベーンの閉側の動作速度を所定の速度に抑制するようにしたことを特徴とする。更に、電動サーボモータの回生時にモータ電圧・電流変換装置に帰還される回生電流を充電するコンデンサ又は予備バッテリーを備え、調速装置の異常時に、コンデンサ又は予備バッテリーから電磁弁に電源を供給し、電磁弁をＯＦＦすることにより、ガイドベーンの閉側の動作速度を所定の速度に抑制するようにしたことを特徴とする。
【００１０】
また、この発明による電動サーボモータ式調速装置は、水車の回転速度又は出力を制御するための制御指令信号を送出するガバナ制御装置と、制御指令信号に基づきモータの回転速度とトルクを定める電圧・電流を発生させるモータ電圧・電流変換装置と、回転速度信号に基づいて回転駆動する電動サーボモータと、電動サーボモータの回転トルクを往復直線トルクに変換するサーボシリンダを備え、サーボシリンダの往復動作に基づいてガイドベーンの開閉を行うようにした電動サーボモータ式調速装置において、電動サーボモータの回生時に、モータ電圧・電流変換装置に帰還される回生電流を充電するコンデンサ又は予備バッテリーを備え、調速装置の異常時に、コンデンサ又は予備バッテリーから調速装置に電源を供給することを特徴とする。
【００１１】
更に、この発明による電動サーボモータ式調速装置は、水車の回転速度又は出力を制御するための制御指令信号を送出するガバナ制御装置と、制御指令信号に基づきモータの回転速度とトルクを定める電圧・電流を発生させるモータ電圧・電流変換装置と、回転速度信号に基づいて回転駆動する電動サーボモータと、電動サーボモータの回転トルクを往復直線トルクに変換するサーボシリンダを備え、サーボシリンダの往復動作に基づいてガイドベーンの開閉を行うようにした電動サーボモータ式調速装置において、ガイドベーンの開側操作時に蓄勢する弾性体と、調速装置の異常時に弾性体の蓄勢を解放する機構を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、この発明によれば、ガイドベーンの開閉を行う機構にダッシュポットと、このダッシュポットの動作を制御するダッシュポット制御機構を設置し、調速装置に異常が発生して運転続行不可能になった場合でも、ダッシュポットの緩衝作用を利用して、ガイドベーンの閉側の動作速度を所定の速度（安全速度）に抑制することができる。
【００１３】
また、電動サーボモータの制動に伴って発生するモータ電圧・電流変換装置への回生電流をコンデンサ又は予備バッテリーに充電して、電源断時に放電させることにより、調速装置の制御の続行を可能とする。
【００１４】
また、電源断時又は制御不能事態発生時に、上記コンデンサ又は予備バッテリーから電力を供給して、ダッシュポット制御機構に設置された電磁弁を動作させることにより、調速装置の異常時でも、ガイドベーンを閉鎖させ、水車・発電機を安全に停止させることが可能となる。
【００１５】
更に、ガイドベーン開操作時に弾性体の蓄勢を行い、主電源断あるいは制御装置異常発生時に弾性体の蓄勢を解放する機構を備えることにより、ガイドベーンを閉鎖させて、水車・発電機を安全に停止させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
発明の前提技術．
図１はこの発明による水車用調速装置を含む水力発電所を示す概念図である。図において、水力発電所は、上ダム６５、上ダム６５から水車５０への上流側水圧鉄管６６、上流側水圧鉄管６６中の圧力変動を吸収するサージタンク６１、水車又はポンプ水車（当明細書では「水車」と代表記載する）５０、発電機または発電電動機（当明細書では「発電機」と代表記載する）７０、ドラフト（吸出し管）６７、放水路６８等を備えている。水車５０には、水車を通過する水量を調節する水口調節機構であるガイドベーン４１が設置されている。水車５０により発生する軸トルクＴLは、同軸にて結合された発電機７０に導かれ、発電機７０より図示しない電力系統に向け発電電力が供給される。また、発電機７０の軸上端に設置される回転速度検出器１１により、発電機７０及び水車５０の回転速度ｎが、調速装置２０に帰還入力される。
【００１７】
図２はこの発明の前提技術となる電動サーボモータ式調速装置を示す構成図である。図において、図１の発電機７０の軸上端に設置された回転速度検出器１１は、回転軸に直結した歯車１１ａとその歯車１１ａに近接するセンサ１１ｂを備える。センサ１１ｂで検出された水車回転速度信号ｎは、調速装置２０のガバナ制御装置１２に入力される。このガバナ制御装置１２は、調速制御機能を司るコントローラであり、所定の演算を施すことにより、制御指令信号２５を送出する。モータ電圧・電流変換装置１３は、ガバナ制御装置１２からの制御指令信号２５を受け、電動サーボモータ１４の回転速度（水車５０及び発電機７０の回転速度ｎとは異なる）及びトルクを設定する電圧と電流を発生するためのサーボドライバーである。なお、電動サーボモータの型式は、直流機・交流機いずれも適用可能であるが、最近は整流子とブラシの無い、低慣性型誘導電動機またはブラシ無同期電動機が主として適用されている。
【００１８】
モータ回転速度検出器１５は、電動サーボモータ１４の回転速度を検出して、その値をモータ電圧・電流変換装置１３にフィードバック（帰還）２６するためのセンサである。また、サーボシリンダ１６は電動サーボモータ１４の回転トルクを、往復直線トルクに変換する役割を果す。ベルクランク１７は、サーボシリンダ１６の直線ストロークの変位をガイドベーン開閉を行うための動作に変換する機構である。位置検出器１８は、サーボシリンダ１６の位置つまりガイドベーン開度Ｙをガバナ制御装置１２に帰還入力するための検出器であり、変換器１９は位置検出器１８のガイドベーン開度Ｙを電気信号に変換し、ガバナ制御装置１２に入力する。
【００１９】
整流器２１は、設置発電所の主電源である所内交流電源を直流に変換して、調速装置２０等に電源を供給するためのものである。バッテリー２２は後述するバックアップ電源手段の一つであり、これら整流器２１、バッテリー２２からの電源は調速装置２０専用ではなく、発電所全体に対して設置されている。
【００２０】
ガバナ制御装置（コントローラ）１２の諸機能は、演算増幅器によるアナログ回路またはマイクロプロセッサのソフトウエアにより実現される。図３はガバナ制御装置１２をマイクロプロセッサ等により構成した例を示したものである。図において、中央演算処理部ＣＰＵに、デジタル入力部ＤＩ、パルス信号入力部ＰＩ、アナログ信号入力部ＡＩ、デジタル出力部ＤＯ、アナログ出力部ＡＯが接続されている。外部からの周波数又は出力の増減指令４はデジタル入力部ＤＩに入力され、回転速度検出器１１により検出される周波数信号（パルス信号）ｎはパルス信号入力部ＰＩに入力される。位置検出器１８により検出されたガイドベーン開度Ｙは、変換器１９で電気信号に変換されてアナログ入力部ＡＩに入力される。中央演算処理部ＣＰＵにより演算された結果は、アナログ出力部ＡＯを介して、制御指令信号２５としてモータ電圧・電流変換装置１３に送出する。
【００２１】
次に、上記電動サーボモータ式調速装置の動作について説明する。調速装置（ガバナ）２０の直接の制御対象は、固定翼のフランシス水車の場合、ガイドベーン用サーボシリンダ１６となる。回転速度（周波数）設定値あるいは負荷設定値に、水車５０の状態が追従・作動するように、調速装置２０がサーボシリンダ１６を自動的に制御する。サーボシリンダ１６の開閉ストローク動作により、ベルクランク１７を介してガイドベーン４１の開度が調節され、その結果、水車５０を通過する水量が調節される。このようにして、水車５０の調速制御が行われ、当該水車５０の回転速度あるいは出力トルクが制御されることになる。
【００２２】
ガバナ制御装置（コントローラ）１２は、中央給電所、制御所、配電盤等からの自動制御機能、または運転員操作や発電機電力変動等における、周波数または出力の増減指令４を受け、また、フィードバック（帰還）信号である周波数信号値ｎと、サーボシリンダ１６の変位信号Ｙを入力し、所定の演算を施すことにより、制御指令信号（開閉いずれかの方向及びその絶対値）２５をモータ電圧・電流変換装置（サーボドライバー）１３に送出する。
【００２３】
モータ電圧・電流変換装置１３は、ガバナ制御装置２０からの制御指令信号２５に基づいて、電動サーボモータ１４の回転速度及びトルクを設定・制御する。具体的には、電動サーボモータ１４は、制御指令信号２５を目標値とし、制御指令信号２５とセンサ１５で検出される電動サーボモータ１４の回転速度帰還信号２６との差をゼロにするように制御する。すなわち、電動サーボモータ１４の負荷トルクに関係無く、制御指令信号２５に電動サーボモータ１４の回転速度を一致させる様に、電動サーボモータ１４に印加する３相交流の電圧及び周波数を変換・制御する。実際の変換・制御は、速度制御とトルク制御の間に独立性を持たせるためのベクトル制御、及びＰＷＭ３相トランジスタインバータ等の手段により行われる。
【００２４】
上述の様に制御される電動サーボモータ１４の回転速度（開閉両方向）の時間経過値、即ち積分値により、サーボシリンダ１６の位置が次々刻々変化し、そのストローク位置により、ベルクランク１７を介してガイドベーン４１の開度を決定する。
【００２５】
ここで、ガバナ制御装置（コントローラ）１２が制御指令信号０（ゼロ）Ｖを送出した場合は、ガイドベーン開度Ｙを変化させる必要の無い場合であり、電動サーボモータ１４は静止させるモードとなる。この場合の電動サーボモータ１４の電流は、ゼロではなく停止に必要な保持電流がモータ電圧・電流変換装置１３から供給される。また、電動サーボモータ１４を回転させるモードとしては、以下の（１）〜（４）に示す４象限のモードが存在し、静止モードも含め、これらのモードがスムースに切替わる様に配慮されている。
【００２６】
（１）正転力行モード：ガイドベーンを閉操作する方向にモータを加速するモード。
（２）正転回生モード：ガイドベーンを閉操作する方向に回転しているモータを制動させるモード。
（３）逆転力行モード：ガイドベーンを開操作する方向にモータを加速するモード。
（４）逆転回生モード：ガイドベーンを開操作する方向に回転しているモータを制動させるモード。
【００２７】
ここで、電動サーボモータ１４が低慣性型誘導電動機またはブラシ無同期電動機であることから、正転時と逆転時の３相交流の相回転は逆になる。また、力行時は電動サーボモータ１４に負荷電流を流す方向であるが、回生時には、電動サーボモータ１４の回転エネルギーを、モータ電圧・電流変換装置１３に向かって回生方向の電流により導き、モータ電圧・電流変換装置１３に付属する抵抗２７により熱放散させる。
【００２８】
以上が通常時の動作である。
【００２９】
次に、発電所プラントの異常時の動作について、以下に説明する。
（１）電源瞬断発生時の場合（過渡的異常）
各装置の電源瞬断耐量時間を超える瞬断が発生し復電した場合、ガバナ制御装置１２及びモータ電圧・電流変換装置１３は、復電時にリセット操作による立上り・初期化処理を行う。この期間中は電動サーボモータ１４は無制御となり、モータには通電されないため、電動サーボモータ１４の停止時に必要な保持電流も流れない。従って、電動サーボモータ１４は、上記瞬断中と復電後の上記立上り・初期化処理の期間中はトルクフリーとなり、水車５０内でガイドベーン４１にかかる上ダム〜発電所間の上流側水圧鉄管６６からの水圧力を受け、その水圧の状態により正転（閉方向）または逆転（開方向）のいずれかに回転する。この開閉方向は、各発電所の水利条件、ガイドベーンの形状とその開度によって異なり、一義的には定まらない。なお、瞬断・復電の場合は、立上り・初期化処理が正常に完了すれば、過渡的な負荷変動を伴うものの、ガバナ制御装置１２及びモータ電圧・電流変換装置１３が正常に作用するので、以後の運転続行は可能である。
【００３０】
（２）電源断または制御装置異常の場合（継続的異常）
この場合は、上記の瞬断中の場合と同様、電動サーボモータ１４はトルクフリーとなり、水車５０内でガイドベーン４１にかかる上ダム〜発電所間の上流側水圧鉄管６６からの水圧を受け、その水圧の状態により正転（閉方向）または逆転（開方向）のいずれかに回転する。この開閉方向は、各発電所の水利条件、ガイドベーンの形状とその開度によって異なり、一義的には定まらないことになる。この場合は継続的な異常のため、ガイドベーン４１の挙動が定まらない現象が持続する。
【００３１】
以上のように、電動サーボモータ式調速装置は、従来の圧油操作式調速装置に比べて構造が簡素化され、かつ発電所内外の油による汚損が少ない等の利点がある。しかし、サーボシリンダ１６及びガイドベーン４１を駆動するエネルギーを電源のみに頼っているため、電源断の場合には、電動サーボモータ１４の駆動が不可能になるばかりか、電動サーボモータ１４に通電されないため、電動サーボモータ１４及びサーボシリンダ１６がトルクフリーになる。この時、水車５０及びガイドベーン４１に印加される上流側鉄管６６の水圧状態の如何によっては、ガイドベーン４１の開度が徐々に開方向に推移して、過トルクあるいは過速度となる可能性があった。また、電源瞬断の場合にも、ガバナ制御装置（コントローラ）１２のリセット操作が必要となり、その間不要な負荷変動が発生する問題があった。
【００３２】
これらの問題に対して、重錘等の機構を設けて、主電源断の場合にも安全にガイドベーン閉操作を行える様にするバックアップ方法、あるいは予備電源を用いて電源瞬断時には制御続行を可能とする方策が実施されている。
【００３３】
これら方策は関係法令には準拠しているものの、更なるバックアップ機器を設ける場合にはその寸法が大きくなり、またコストアップになるという問題点が発生している。また、整流器２１とバッテリー２２の同時故障については、瞬断時と言えども考慮されていない。
【００３４】
実施の形態１．
この発明の実施の形態１は、ガイドベーンの開閉を行う機構にダッシュポットと、このダッシュポットの動作を制御する機構を設置し、調速装置に異常が発生して運転続行不可能になった場合に、ダッシュポットの緩衝作用を利用して、ガイドベーンの閉側の動作速度を所定の速度（安全速度）に抑制するようにしたものである。
【００３５】
図４はこの発明の実施の形態１による電動サーボモータ式調速装置を示す構成図である。図において、ダッシュポット８０は、ロッド８１に接合されたピストン８２と、このピストン８２を囲むシリンダ８３を備える。ピストン８２のロッド８１は、ガイドベーン４１の開閉を行うベルクランク１７に接続され、ベルクランク１７の回動軸に対してサーボシリンダ１６の接続箇所とほぼ点対称になる位置に接続される。つまり、ロッド８１はガイドベーン４１を開閉駆動する軸の一つとなる。ダッシュポットのシリンダ８３内は、ピストン８２を挟んで開側油室８５Ａと閉側油室８５Ｂに分けられ、作動油が封入されている。また、開側油室８５Ａと閉側油室８５Ｂの間には連結管８６が設置され、この連結管８６にダッシュポット制御機構９０が設置されている。
【００３６】
ダッシュポット制御機構９０は、上記連結管８３の途中に、電磁弁９１、逆止弁９２、２方向流量制御弁９３がそれぞれ並行になるように設置される。電磁弁９１は、開側油室８５Ａから閉側油室８５Ｂへの作動油の流れを許可し、電源ＯＮ指令に基づき作動油の流れをＯＦＦする。逆止弁９２は、閉側油室８５Ｂから開側油室８５Ａへの作動油の流れのみを許可する。２方向流量制御弁９３は、当該バルブの開度を調整することにより、当該バルブを流れる作動油の流量を調整し、ピストンロッド８１の閉側動作速度を所定の速度（安全速度）に抑制するためのものである。
なお、図４のその他の構成は、図２と同様であるので説明を省略する。
【００３７】
次に、実施の形態１によるダッシュポットとその制御機構の動作について説明する。発電所プラントの通常動作時は、ダッシュポット制御機構９０の電磁弁９１は電源ＯＦＦとなっている。そのため、ピストンロッド８１が閉側に動作する場合は、電磁弁９１を介して開側油室８５Ａから閉側油室８５Ｂへ作動油が流れる。また、ピストンロッド８１が開側に動作する場合は、逆止弁９２を介して閉側油室８５Ｂから開側油室８５Ａへ作動油が流れる。このように、平常時の運転中は、電磁弁９１は開状態であり、ダッシュポット８０による緩衝作用は働かない状態になっている。
【００３８】
次に、調速装置２０に何らかの異常が発生し、運転続行不可能になった場合や、発電所プラントの異常時には、ダッシュポット制御機構９０の電磁弁９１にＯＮ指令が送出される。その結果、ピストンロッド８１が閉側に動作する場合は、開側油室８５Ａから閉側油室８５Ｂへの作動油の流れは、電磁弁９１を介することができず、２方向流量制御弁９３を通らざるを得ない。この場合、２方向流量制御弁９３では作動油が所定の流量しか通過しないように調整しているので、ピストンロッド８１が閉側に安全限界を超える速度で動作しようとしても、所望の安全速度に抑制される。
【００３９】
実施の形態２．
この発明の実施の形態２は、電動サーボモータの正転回生または逆転回生時に、電動サーボモータの回転エネルギーがモータ電圧・電流変換装置に回生電流として帰還されることを利用し、その回生電流をコンデンサに充電・貯蔵して、主電源瞬断時の運転続行に供するようにものである。
【００４０】
以下、この発明の実施の形態２を図５に基いて説明する。図５はこの発明の実施の形態２による電動サーボモータ式調速装置を示す構成図である。
【００４１】
図において、コンデンサ３１は、本実施の形態において追加されたモータ電圧・電流変換装置１３に付属のバックアップ充電用コンデンサである。そして、このコンデンサ３１は、ガバナ制御装置１２及びモータ電圧・電流変換装置１３の電源回路に向けて放電されるように構成されている。なお、図５のその他の構成は、図４と同様であるので説明を省略する。
【００４２】
次に、実施の形態２のコンデンサの動作について説明する。外部からの指令（図示せず）に基き、ガバナ制御装置１２からモータ電圧・電流変換装置１３にガイドベーン開または閉方向の制御指令信号２５が与えられる。そして、それによるモータ電圧・電流変換装置１３からの電流により、電動サーボモータ１４が回転を始め、サーボシリンダ１６を変位させガイドベーン４１の開度を変化させる過程までは、上述の発明の前提技術と同様である。
【００４３】
さて、外部からの指令に対してガイドベーン４１の開度が追従し、電動サーボモータ１４が制動により減速・停止する際には、図２では電動サーボモータ１４からの回生電流はモータ電圧・電流変換装置１３を経て抵抗２７にて熱放散されたが、本実施の形態では、その回生電流がモータ電圧・電流変換装置１３に接続されているコンデンサ３１に充電される。この時点で、主電源の瞬断のトラブルが発生した場合には、コンデンサ３１はガバナ制御装置１２及びモータ電圧・電流変換装置１３の電源回路に向けて放電される。
【００４４】
その結果、電源瞬断によるガバナ制御装置１２及びモータ電圧・電流変換装置１３からの異常アラーム発信は回避され、また、復電時のリセット操作による立上り・初期化操作も不要となるため、調速装置２０の諸機能は引続き維持され、復電時のリセット操作による負荷変動も防止できるメリットがある。
【００４５】
実施の形態３．
この発明の実施の形態３は、電動サーボモータの正転回生または逆転回生時に、モータの回転エネルギーがモータ電圧・電流変換装置に回生電流として帰還されることを利用し、その回生電流を予備バッテリーに充電・貯蔵して、主電源瞬断時の運転続行に供するようにしたものである。
【００４６】
以下、この発明の実施の形態３を図６に基いて説明する。図６はこの発明の実施の形態３による電動サーボモータ式調速装置を示す構成図である。
【００４７】
図において、バッテリー３２は、本実施の形態において追加されたモータ電圧・電流変換装置（サーボドライバー）１３に付属のバックアップ充電用の予備バッテリーである。そして、このバッテリー３２は、ガバナ制御装置１２及びモータ電圧・電流変換装置１３の電源回路に向けて電力を供給するように構成されている。
【００４８】
次に、実施の形態３の予備バッテリーの動作について説明する。外部からの指令（図示せず）に基き、ガバナ制御装置１２からモータ電圧・電流変換装置１３にガイドベーン開または閉方向の制御指令信号２５が与えられる。そして、それによるモータ電圧・電流変換装置１３からの電流により、電動サーボモータ１４が回転を始め、サーボシリンダ１６を変位させガイドベーン４１の開度を変化させる過程までは、上述の図２で説明した過程と同様である。
【００４９】
さて、外部からの指令に対してガイドベーン４１の開度が追従し、電動サーボモータ１４が制動により減速・停止する際には、電動サーボモータ１４からの回生電流は、モータ電圧・電流変換装置１３に接続されている予備バッテリー３２に充電される。この時点で、主電源の瞬断のトラブルが発生した場合には、予備バッテリー３２はガバナ制御装置１２及びモータ電圧・電流変換装置１３の電源回路に向けて電力を供給する。
【００５０】
その結果、電源瞬断によるガバナ制御装置１２及びモータ電圧・電流変換装置１３からの異常アラーム発信は回避され、また、復電時のリセット操作による立上り・初期化操作も不要となるため、調速装置２０の諸機能は引続き維持され、復電時のリセット操作による負荷変動も防止できるメリットがある。
【００５１】
また、本実施の形態では、予備バッテリー３２として、電源瞬断時の運転続行に必要な小容量のもので済み、図２に示す前提技術におけるプラント共通のバッテリー２２が省略可能である。更に、バッテリーそのものが小型化できるため、コストダウンが可能となるメリットがある。
【００５２】
実施の形態４．
実施の形態２では、電動サーボモータの正転回生または逆転回生時に、モータの回転エネルギーがモータ電圧・電流変換装置に回生電流として帰還されることを利用し、その回生電流をコンデンサに充電・貯蔵して、主電源瞬断時の運転続行に供するようにした。しかしながら、コンデンサの充電容量は限界があるため、これらコンデンサのみでは、長時間（１ｓｅｃ以上）の電源断の場合に運転続行は困難であり、かかる場合には、ガイドベーンを安全に閉方向に操作させて、水車が誤って過トルクあるいは過速度の事態が発生しない様に対策を施す必要がある。
【００５３】
実施の形態４では、このような場合に対処するためになされたもので、電動サーボモータの回生時にモータ電圧・電流変換装置に帰還される回生電流を、コンデンサに充電すると共に、調速機が電源断または装置故障により制御不能となった際に、当該コンデンサを放電させて、ガイドベーン閉鎖速度調整用のダッシュポットの電磁弁を動作させて、ガイドベーンを安全速度で閉鎖方向に動作させ、重大事故に波及することを防止するようにした。
【００５４】
以下、この発明の実施の形態４を図７に基いて説明する。図７はこの発明の実施の形態４による電動サーボモータ式調速装置を示す構成図である。
【００５５】
図において、コンデンサ３３はモータ電圧・電流変換装置１３に付属のバックアップ充電用コンデンサである。そして、このコンデンサ３１は、ガイドベーン閉鎖速度調整用のダッシュポット８０の電磁弁９０に向けて放電されるように構成されている。
【００５６】
実施の形態１で説明したように、ダッシュポット８０は、調速装置２０が電源断あるいは制御不能の事態が発生した場合にも、所定のガイドベーン閉鎖モードを実現し、水圧鉄管あるいは発電設備に損傷を与えないことを目的として、密閉された容器に作動油とピストンが封入されている閉鎖式油系統の緩衝装置である。そして、ダッシュポット８０には、電磁弁９１、逆止弁９２、２方向流量制御弁９３から構成されるダッシュポット制御機構９０が設置され、上記電磁弁９１を動作させることにより、所定のガイドベーン閉鎖モード実現に向けた確実な動作を実施させることが可能となる。
【００５７】
実施の形態４では、図７に示す通り、ダッシュポット制御機構９０の電磁弁９１の操作をモータ電圧・電流変換装置１３付属のコンデンサ３３の放電により行うものである。即ち、電動サーボモータ１４からの回生電流を、モータ電圧・電流変換装置１３を経由してコンデンサ３３に充電しておくまでは、実施の形態２と同様である。調整装置２０が電源断あるいは制御不能事態発生時には、コンデンサ３３から放電させ、ダッシュポット制御機構９０中の電磁弁９１を付勢する。すなわち、電磁弁９１がＯＮされ、ピストンロッド８１が閉側に動作する際、開側油室から閉側油室への作動油の流れは、２方向流量制御弁９３を通らざるを得なくなる。２方向流量制御弁９３では作動油が所定の流量しか通過しないように調整しているので、ピストンロッド８１が閉側に安全限界を超える速度で動作しようとしても、所望の安全速度に抑制される。
【００５８】
以上のように実施の形態４によれば、整流器２１及びプラントバッテリー２２の両方の電源が喪失した場合でも、モータ電圧・電流変換装置１３付属のコンデンサ３３を放電してダッシュポット制御装置９０の電磁弁９１を付勢させることにより、ダッシュポット８０の緩衝動作が可能となり、ガイドベーン４１を安全速度で閉鎖させることにより、水車５０及び発電機７０を過速度に至らしめずに安全に停止させることができる効果がある。
【００５９】
実施の形態５．
実施の形態３では、電動サーボモータの正転回生または逆転回生時に、モータの回転エネルギーがモータ電圧・電流変換装置に回生電流として帰還されることを利用し、その回生電流を予備バッテリーに充電・貯蔵して、主電源瞬断時の運転続行に供するようにした。しかしながら、予備バッテリーの容量は限界があり、予備バッテリーのみでは、長時間（１ｓｅｃ以上）の電源断の場合に運転続行は困難であり、かかる場合には、ガイドベーンを安全に閉方向に操作させて、水車が誤って過トルクあるいは過速度の事態が発生しない様に対策を施す必要がある。
【００６０】
実施の形態５では、このような場合に対処するためになされたもので、電動サーボモータの回生時にモータ電圧・電流変換装置に帰還される回生電流を、予備バッテリーに充電すると共に、調速機が電源断または装置故障により制御不能となった際に、当該予備バッテリーを放電させて、ガイドベーン閉鎖速度調整用のダッシュポットの電磁弁を動作させて、ガイドベーンを安全速度で閉鎖方向に動作させ、重大事故に波及することを防止するようにした。
【００６１】
以下、この発明の実施の形態５を図８に基いて説明する。図８はこの発明の実施の形態５による電動サーボモータ式調速装置を示す構成図である。
【００６２】
図において、予備バッテリー３４はモータ電圧・電流変換装置１３に付属のバックアップ用電源である。そして、この予備バッテリー３４は、ガイドベーン閉鎖速度調整用のダッシュポット８０の電磁弁９０に向けて放電されるように構成されている。
【００６３】
実施の形態１で説明したように、ダッシュポット８０は、調速装置２０が電源断あるいは制御不能の事態が発生した場合にも、所定のガイドベーン閉鎖モードを実現し、水圧鉄管あるいは発電設備に損傷を与えないことを目的として、密閉された容器に作動油とピストンが封入されている閉鎖式油系統の緩衝装置である。そして、ダッシュポット８０には、電磁弁９１、逆止弁９２、２方向流量制御弁９３から構成されるダッシュポット制御機構９０が設置され、上記電磁弁９１を動作させることにより、所定のガイドベーン閉鎖モード実現に向けた確実な動作を実施させることが可能となる。
【００６４】
実施の形態５では、図８に示す通り、ダッシュポット制御機構９０の電磁弁９１の操作をモータ電圧・電流変換装置１３付属の予備バッテリー３４の放電により行うものである。即ち、電動サーボモータ１４からの回生電流を、モータ電圧・電流変換装置１３を経由して予備バッテリー３４に充電しておくまでは、実施の形態３と同様である。調整装置２０が電源断あるいは制御不能事態発生時には、予備バッテリー３４から放電させ、ダッシュポット制御機構９０中の電磁弁９１を付勢する。すなわち、電磁弁９１がＯＮされ、ピストンロッド８１が閉側に動作する際、開側油室から閉側油室への作動油の流れは、２方向流量制御弁９３を通らざるを得なくなる。２方向流量制御弁９３では作動油が所定の流量しか通過しないように調整しているので、ピストンロッド８１が閉側に安全限界を超える速度で動作しようとしても、所望の安全速度に抑制される。
【００６５】
以上のように実施の形態５によれば、整流器２１及びプラントバッテリー２２の両方の電源が喪失した場合でも、モータ電圧・電流変換装置１３付属の予備バッテリー３４を放電してダッシュポット制御装置９０の電磁弁９１を付勢させることにより、ダッシュポット８０の緩衝動作が可能となり、ガイドベーン４１を安全速度で閉鎖させることにより、水車５０及び発電機７０を過速度に至らしめずに安全に停止させることができる効果がある。
【００６６】
実施の形態６．
一般に調速装置（ガバナ）２０では、ガイドベーン開操作時の速度が閉操作時の速度よりも遅く設定される。電動サーボ式調速機では、電動サーボモータ１４の逆転方向（開操作側）の回転速度の最大値は、一般に正転方向（閉操作側）の回転速度の最大値よりも低く設定されることになる。
【００６７】
これは、負荷遮断時のような回転速度上昇時、または事故停止時の際に、ガイドベーン４１を急閉鎖するモードがあることによる。従って、ガイドベーン開操作時には、電動サーボモータ１４のトルクに余裕が発生する。そこで、本実施の形態では、このトルク余裕に着目し、ガイドベーン４１の開側操作時に、バネ等の弾性体をモータのトルクによって蓄勢させておき、電源断または制御装置故障等の事故時に、これらの弾性体の蓄勢を解放し、弾性力によりガイドベーン４１を閉操作させることにより、過速度等重大事故の発生を抑止するものである。
【００６８】
以下、この発明の実施の形態６を図９から図１２に基いて説明する。図９はこの発明の実施の形態５による電動サーボモータ式調速装置を示す構成図、図１０は本実施の形態に使用される弾性体とこの弾性体の蓄勢を解放するクラッチ機構を示す構成図、図１１から図１２は本実施の形態による弾性体の蓄勢及び解放動作を表わす図である。
【００６９】
本実施の形態においては、図９及び図１０に示すように、ガイドベーン４１の開操作時に蓄勢されるバネ等の弾性体１０２と、電源断または制御装置故障等の事故時に弾性体１０２の蓄勢を解放するクラッチ機構１１０を備える。クラッチ機構１１０は、ダッシュポット８０のピストン８２に設けた操作ロッド１０１に接続したクラッチ板１１１と、弾性体１０２側に接続したクラッチ板１１２と、弾性体１０２を蓄勢した状態にとどめるストッパ１１３を備えている。なお、弾性体１０２の他端は構造物１０３に設置されている。
【００７０】
次に、この発明の実施の形態６の動作を図１１及び図１２に基づいて説明する。電動サーボモータ１４が逆転方向に回転し、サーボシリンダ１６が開側に移動した際、図１１（ａ）に示すように、ベルクランク１７に接続されたロッド８１が図示左方向（開方向）に移動し、ロッド８１に接続されたピストン８２、ロッド１０１、クラッチ板１１１が図示左方向に移動する。その結果、クラッチ板１１１に当接しているクラッチ板１１２も図示左方向に移動して、弾性体１０２が蓄勢される。このとき、ストッパ１１３はクラッチ板１１２に作用していない。
【００７１】
その後、図１１（ｂ）に示すように、弾性体１０２の蓄勢が完了すると、ストッパ１１３がクラッチ板１１２に作用する。
【００７２】
そして、通常時は、図１２（ａ）に示すように、ストッパ１１３がクラッチ板１１２に作用した状態となり、弾性体１０２は蓄勢されたままの状態となる。
【００７３】
一方、電源断または制御装置故障時には、図１２（ｂ）に示すように、ストッパ１１３がクラッチ板１１２から外れ、弾性体１０２の蓄勢力により、クラッチ板１１２、１１１、ロッド１０１を介してピストン８２及びロッド８１をガイドベーン閉方向に押しやる。
【００７４】
以上のように実施の形態６によれば、整流器２１及びプラントバッテリー２２の両方の電源が喪失した場合でも、弾性体１０２の蓄勢力を解放するクラッチ機構１１０が動作して、蓄勢されていた弾性体１０２が解放されることにより、ガイドベーン４１は閉鎖され、水車５０・発電機７０を過速度に至らしめずに安全に停止させることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】この発明による水車用調速装置を含む水力発電所を示す概念図である。
【図２】この発明の前提技術となる電動サーボモータ式調速装置を示す構成図である。
【図３】ガバナ制御装置をマイクロプロセッサ等により構成した例を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１による電動サーボモータ式調速装置を示す構成図である。
【図５】この発明の実施の形態２による電動サーボモータ式調速装置を示す構成図である。
【図６】この発明の実施の形態３による電動サーボモータ式調速装置を示す構成図である。
【図７】この発明の実施の形態４による電動サーボモータ式調速装置を示す構成図である。
【図８】この発明の実施の形態５による電動サーボモータ式調速装置を示す構成図である。
【図９】この発明の実施の形態６による電動サーボモータ式調速装置を示す構成図である。
【図１０】この発明の実施の形態６に使用される弾性体とこの弾性体の蓄勢を解放するクラッチ機構を示す構成図である。
【図１１】この発明の実施の形態６による弾性体の蓄勢及び解放動作を示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態６による弾性体の蓄勢及び解放動作を示す図である。
【符号の説明】
【００７６】
１１  回転速度検出器
１２  ガバナ制御装置（コントローラ）
１３  モータ電圧・電流変換装置（サーボドライバー）
１４  電動サーボモータ
１５  サーボモータ回転速度検出用センサ
１６  サーボシリンダ
１７  ベルクランク
１８  ガイドベーン開度検出用位置検出器
１９  ガイドベーン開度帰還入力用変換器
２０  調速装置
２１  整流器
２２  プラントバッテリー
２５  制御指令信号
２６  サーボモータ回転速度帰還信号
３１  コンデンサ
３２  予備バッテリー
３３  コンデンサ
３４  予備バッテリー
４１  ガイドベーン
５０  水車
６１  サージタンク
６５  上ダム
６６  水圧鉄管
６７  ドラフト
６８  放水路
７０  発電機
８０  ダッシュポット
９０  ダッシュポット制御機構
９１  電磁弁
９２  逆止弁
９３  ２方向流量制御弁
１０２  ばね
１１０  クラッチ機構
１１１  クラッチ板
１１３  ストッパ
ＴＬ  水車トルク
ｎ  水車回転速度信号
Ｙ  ガイドベーン開度信号
【図１】
2005061347.tif 000003
【図２】
2005061347.tif 000004
【図３】
2005061347.tif 000005
【図４】
2005061347.tif 000006
【図５】
2005061347.tif 000007
【図６】
2005061347.tif 000008
【図７】
2005061347.tif 000009
【図８】
2005061347.tif 000010
【図９】
2005061347.tif 000011
【図１０】
2005061347.tif 000012
【図１１】
2005061347.tif 000013
【図１２】
2005061347.tif 000014